張玉亭

(中冶京誠(chéng)(營(yíng)口)裝備技術(shù)有限公司，遼寧115000)

用50Mn大圓連鑄坯鍛造制作回轉(zhuǎn)支撐環(huán)件時(shí)，工件滾道表面用淬火機(jī)加工后存在裂紋、鼓泡和剝落現(xiàn)象。針對(duì)這些問(wèn)題，取樣進(jìn)行檢測(cè)與分析。下面對(duì)分析情況進(jìn)行說(shuō)明，并且著重從煉鋼的角度出發(fā)，談?wù)勅绾伪苊馊毕莸漠a(chǎn)生。

1 金相檢驗(yàn)結(jié)果

(1)試樣1和試樣2

試樣1、試樣2缺陷外觀如圖1、圖2所示。

分別取裂紋和鼓泡處試樣進(jìn)行分析觀察。高倍觀察發(fā)現(xiàn)，試樣1開(kāi)裂較平直，與U型槽滾道表面趨于平行，見(jiàn)圖3。試樣2沿鼓泡缺陷處下的次表層存在較平直裂紋，裂紋沿U型滾道次表面開(kāi)裂，與試樣1裂紋形貌相似，見(jiàn)圖4。未腐蝕狀態(tài)下觀察兩塊試樣缺陷內(nèi)部及周圍均無(wú)夾雜物等冶金缺陷。

對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕后，試樣表面為淬火層，淬火層厚度不均。

腐蝕后觀察試樣發(fā)現(xiàn)，裂紋和鼓泡缺陷處下的次表面均沒(méi)有脫碳與氧化。

兩塊試樣表層組織均為淬火馬氏體組織，并存在殘余鐵素體。試料基體組織為珠光體和網(wǎng)狀鐵素體，網(wǎng)狀鐵素體圍成的原奧氏體晶粒異常粗大，實(shí)際晶粒最大為2級(jí)，晶粒不均勻。

圖1 剝落、裂紋宏觀形貌Figure 1 Macroscopic appearance of peeling and crack

圖2 鼓泡宏觀形貌Figure 2 Macroscopic appearance of bubble

在缺陷試料上切取斷口試料，并進(jìn)行淬火處理。觀察斷口發(fā)現(xiàn)存在白點(diǎn)缺陷，白點(diǎn)區(qū)與基體有明顯的分界，斷口形貌明顯不同，見(jiàn)圖5。白點(diǎn)區(qū)與基體有明顯分界，白點(diǎn)區(qū)呈現(xiàn)流水波紋特征，見(jiàn)圖6。

圖3 裂紋缺陷形貌(50×)Figure 3 The appearance of crack (50×)

圖4 鼓泡高倍形貌(100×)Figure 4 Microscopic appearance of bubble (100×)

圖5 白點(diǎn)區(qū)與基體整體形貌(148×)Figure 5 The whole appearance of white spot zone and base(148×)

圖6 白點(diǎn)區(qū)與基體界擴(kuò)展形貌(1000×)Figure 6 The extended appearance of white spot zone and base boundary(1000×)

檢驗(yàn)分析認(rèn)為，內(nèi)環(huán)U型滾道內(nèi)的裂紋和鼓泡缺陷為氫脆所致。

(2)試樣3

試樣3高倍形貌如圖7所示。

圖7 鼓泡宏觀形貌Figure 7 Macroscopic appearance of bubble

圖8 鼓泡下裂紋形貌(50×)Figure 8 The appearance of crack under bubble(50×)

圖9 裂紋夾雜物能譜分析Figure 9 Energy spectrum analysis for crack inclusions

高倍下觀察，鼓泡下為裂紋，見(jiàn)圖8。裂紋內(nèi)存在夾雜，能譜圖見(jiàn)圖9。

以上結(jié)果表明鼓泡裂縫里有Al、Si、K、Ca、Ti等元素，說(shuō)明有保護(hù)渣卷入。

(3)試樣4

試樣4上的環(huán)件裂紋開(kāi)裂明顯，裂紋走向較直，似應(yīng)力裂紋。見(jiàn)圖10。

在裂紋根部處取樣高倍觀察，未腐蝕狀態(tài)下觀察試樣裂紋內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)存在氧化物夾雜聚集，見(jiàn)圖11。試樣腐蝕后，觀察組織發(fā)現(xiàn)，試樣表面為淬火組織，裂紋兩側(cè)沒(méi)有脫碳。夾雜物能譜成分測(cè)定為氧化鋁夾雜，見(jiàn)圖12。

據(jù)此，可以推斷鑄坯存在夾雜物聚集。在表面淬火時(shí)，夾雜物周圍形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致工件出現(xiàn)淬火開(kāi)裂。

圖10 缺陷形貌Figure 10 Defects appearance

圖11 裂紋處夾雜物形貌(100×)Figure 11 The appearance of inclusion in crack position(100×)

圖12 夾雜物能譜分析(100×)Figure 12 Energy spectrum analysis for inclusions(100×)

2 分析

2.1 生產(chǎn)流程

回轉(zhuǎn)支撐環(huán)生產(chǎn)工藝過(guò)程為：電爐→LF鋼包精煉爐→連鑄→堆冷→加熱→鍛造→正火→粗加工→熱處理→精車→表面淬火→磨加工。

2.2 煉鋼分析

鋼從液相凝固成固相和以后繼續(xù)冷卻時(shí)，鋼中H含量溶解度銳減，再加上凝固過(guò)程中的偏析，鋼中局部殘留的H含量會(huì)超過(guò)其容限，析出氣體。由于柱狀組織的偏析和中心疏松的存在，更容易促使氫的擴(kuò)散。析出的分子氫在枝狀晶之間集聚、沉淀與析出，產(chǎn)生氣孔。

避免氫致裂紋的重要手段是降低鋼中氫含量。由于沒(méi)有經(jīng)VD處理，鋼水的氫含量較高。經(jīng)VD處理后，鋼中氫含量可顯著降低，一般脫氫率可達(dá)60%以上。其次，做好保護(hù)澆注，避免澆注過(guò)程中吸氣，注意原輔料的干燥，以及鋼包中包的烘烤，最大限度減少過(guò)程增氫。

提高鋼水的潔凈度也是重要的一環(huán)。夾雜物與基體的界面是氫的強(qiáng)陷阱。界面上的氫濃度遠(yuǎn)高于晶格內(nèi)部的濃度，高的濃度會(huì)產(chǎn)生高的過(guò)飽和空位濃度，不斷聚集長(zhǎng)大，形成鼓泡核。氫致裂紋在夾雜處的形核率較大。夾雜物與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度相對(duì)較弱，當(dāng)核內(nèi)壓力超過(guò)臨界值時(shí)，就會(huì)沿界面開(kāi)裂。偏析及非金屬夾雜物等使金屬晶體聯(lián)結(jié)部位弱化和有利于氫原子聚集的因素均可使鋼的氫致裂紋敏感性升高。

微裂紋或微空洞也致使氫聚集，聚集到一定的程度就會(huì)使微裂紋擴(kuò)展。因此，一方面要不斷改善坯料的低倍組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)在鍛造熱加工過(guò)程中應(yīng)采用合理的鍛造工藝，進(jìn)一步壓實(shí)，促使內(nèi)部組織致密、晶粒及碳化物粒子細(xì)化等，增加基體強(qiáng)度，提高對(duì)氫應(yīng)力破壞作用的抵抗力。

2.3 鍛造分析

鍛后及時(shí)采取適當(dāng)?shù)囊灶A(yù)防鍛件出現(xiàn)氫致裂紋為主要目的的鍛后冷卻與熱處理工藝，使鍛件中的氫擴(kuò)散出去，保證鍛件中氫含量低于無(wú)白點(diǎn)缺陷的極限含量。同時(shí)，減小鍛件中的內(nèi)應(yīng)力(主要是組織應(yīng)力)，避免鍛件產(chǎn)生裂紋缺陷。

以上分析主要是基于目前50Mn沒(méi)有經(jīng)VD處理的情況去分析的。但事實(shí)上，鍛后組織粗大、淬火層厚度不均，說(shuō)明鍛造及熱處理恰恰存在問(wèn)題。高溫淬火后，其組織由高溫奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于馬氏體的無(wú)擴(kuò)散性、切變特性，新舊相間晶體學(xué)位相關(guān)系以及比容差，決定了馬氏體相變必然產(chǎn)生應(yīng)變、應(yīng)力和應(yīng)變能。由于馬氏體強(qiáng)度較高，這種巨大的不均勻應(yīng)變和應(yīng)力很難通過(guò)塑性變形來(lái)松弛，如果晶界不能充分協(xié)調(diào)，相鄰晶粒的變形就會(huì)在晶界造成應(yīng)力集中，乃至形成微裂紋，在淬火應(yīng)力作用下，迅速擴(kuò)展為裂紋。磨削加工時(shí)，在機(jī)械力的作用下，自然會(huì)剝離或掉塊。

關(guān)于氫致白點(diǎn)(或白點(diǎn))，理論界一直是有爭(zhēng)議的，生產(chǎn)實(shí)踐中也是千差萬(wàn)別的。有試驗(yàn)表明，含氫量很低(0.6×10-6)的軋輥鍛后又退火又長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)氫，還是出現(xiàn)了白點(diǎn)。鍛造工藝改進(jìn)后，含氫量為5×10-6的軋輥僅適當(dāng)緩冷，沒(méi)有擴(kuò)氫處理，也沒(méi)有產(chǎn)生白點(diǎn)。說(shuō)明前者在鍛造過(guò)程中，即高溫變形過(guò)程中就已經(jīng)產(chǎn)生了缺陷，在隨后的冷

卻過(guò)程中，在應(yīng)力的作用下發(fā)展為裂紋。事實(shí)上，氫致裂紋和有些微細(xì)裂紋是難以區(qū)分的，氫可以致白點(diǎn)，但白點(diǎn)不都是由氫所致。

3 措施

經(jīng)過(guò)討論分析，應(yīng)采取以下措施控制回轉(zhuǎn)支撐環(huán)缺陷：

(1)采取VD處理，降低鋼中氣體含量?？刂埔欢ǖ恼婵斩群蜌鍤饧氨３謺r(shí)間，可以有效控制鋼中的氫含量。經(jīng)VD處理后，可有效保證鋼中氣體處于較低的含量，將由原料、操作等不穩(wěn)定帶來(lái)的負(fù)面影響降到最低，避免不必要的損失。

(2)加強(qiáng)原輔料等環(huán)節(jié)控制，尤其是白灰等渣料。加強(qiáng)鋼包烘烤，尤其新包更要注意，減少過(guò)程增氫。

(3)加強(qiáng)保護(hù)澆注，避免鋼水的二次污染，減少不穩(wěn)態(tài)澆注。大包長(zhǎng)水口及中包浸入式水口要做好氬封。提高耐材質(zhì)量。

(4)控制結(jié)晶器液面穩(wěn)定，保證設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性。規(guī)范加渣操作，避免保護(hù)渣卷入。

(5)控制較低過(guò)熱度和適當(dāng)?shù)睦偌斑m宜的冷速，保證鑄坯的低倍質(zhì)量，提高鑄坯致密度。促進(jìn)低倍組織的致密化、均勻化。

(6)做好鑄坯的緩冷、保溫，降低鑄坯(錠)中的應(yīng)力，避免應(yīng)力集中。

(7)優(yōu)化與控制鍛造及熱處理過(guò)程，避免不規(guī)范的生產(chǎn)操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)控制鋼中氣體含量、夾雜等冶金缺陷是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)，要重視連鑄坯(錠)的緩冷、保溫處理。

(2)鍛造及熱處理工藝要不斷優(yōu)化改進(jìn)，高溫塑性變形對(duì)鍛件的質(zhì)量有重要的影響。

(3)氫可以致白點(diǎn)，但不能一見(jiàn)白點(diǎn)特征，統(tǒng)統(tǒng)認(rèn)定為氫致裂紋。正確避免氫致裂紋是一個(gè)系統(tǒng)工程。只有充分認(rèn)識(shí)到現(xiàn)象的本質(zhì)，才能真正有效避免再次發(fā)生。

[1] 陳斌.50Mn鋼回轉(zhuǎn)支撐滾道剝離原因分析.物理測(cè)試，2005.

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[4] 周平，等.對(duì)鋼中白點(diǎn)的幾種認(rèn)識(shí)與討論.萊鋼科技.

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